Leichtbau im Auto: Weshalb Stahl noch nicht zum alten Eisen gehört

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Leichtbau im Auto: Weshalb Stahl noch nicht zum alten Eisen gehört

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Leichtbau ist in der Autobranche eine Herausforderung

von Sebastian Schaal

Wenn es um Leichtbau geht, redet alle Welt von Karbon. Doch viele Autokonzerne verzichten lieber auf die leichten Fasern, weil sie Gewicht auch billiger sparen können – zum Beispiel mit Stahl.

Es glich einer Revolution: Die Karosserie, Türen, Dach, Front- und Rückseite bestehen aus mit schwarzem Plastik beplanktem Carbon, aufgesetzt auf einen Unterbau aus Aluminium - der BMW i3 hat eine Autoarchitektur, wie es sie noch nicht gab.

Der Vorteil eines Autos mit Alu-Rahmen und Kohlefaser-Karosserie ist offensichtlich: Sie ist leicht. Und Leichtbau hat sich in der Autoindustrie im Kampf um CO2-Emissionen zu einem Zauberwort entwickelt. Dank seines revolutionären Aufbaus wiegt der i3 weniger als 1,2 Tonnen. Damit ist er in etwa so schwer wie sein Konzernbruder Mini. Aber der schleppt nicht 300 Kilo Stromspeicher mit sich herum.

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Mit welchen Materialien Autos leichter werden

  • Aluminium

    Audi A8, Jaguar XJ und Range Rover haben eine Karosserie aus Alu. Andere verwenden das Material für Motorhauben, Heckklappen und Türen.

  • Kohlefaserverstärkter Kunststoff

    BMW macht aus dem Werkstoff der Luft- und Raumfahrtindustrie eine komplette Fahrgastzelle, andere Hersteller produzieren Dächer und Türen aus dem leichten, nicht rostenden und stabilen Material.

  • Magnesium

    Es ist leichter als Aluminium und schmilzt bei niedrigeren Temperaturen. Bisher gab es Lenkräder, Felgen und Getriebegehäuse aus Magnesium, jetzt auch Türen und Motorhauben.

  • Stahl

    Ist immer noch das am weitesten verbreitete Material. Neu sind – etwa beim VW Golf 7 – sogenannte hochfeste Stähle, denen andere Metalle für höhere Stabilität und weniger Gewicht beigemischt werden.

  • Titan

    Weil es bis zu 50 Mal teurer ist als Stahl, kommt es vor allem in Supersportwagen wie McLaren oder Bugatti Veyron vor.

  • Holz

    Forscher wollen zeigen, dass Holz genauso gut ist wie Stahl oder Aluminium.

  • Materialmix

    Türen aus Alu, Heckklappen aus Kunststoff, die Fahrgastzelle aus hochfestem Stahl: In Autos wie dem Porsche 911 finden sich verschiedene Werkstoffe.

BMW sieht sich mit seiner Carbon-Strategie auf dem richtigen Weg. Von der Kohlefaser-Kompetenz soll künftig auch das BMW-Flaggschiff profitieren: Bei der kommenden Generation der 7er-Limousine sollen Motorhaube, Kofferraumdeckel und Türen aus dem leichten Verbundwerkstoff zum Einsatz kommen.

Hemmt die „German Angst“ den Fortschritt?

Doch längst nicht jeder Autobauer setzt so sehr auf die schwarzen Fasern wie die Münchner. „Wenn es darum geht, grundlegende Veränderungen einzuleiten, dann wird hierzulande erst einmal lang und ängstlich diskutiert“, versuchte BMW-Chef Nobert Reithofer einst das Zögern der Konkurrenz mit der „German Angst“ zu erklären.

Doch die Konkurrenz hat gute Gründe, nicht voreilig in den Aufbau einer eigenen Kohlefaser-Produktion zu investieren: Carbon ist nicht nur teuer, sondern auch schwer zu verarbeiten. Und vor allem können Konzerne auch mit bekannten Materialien wie Stahl und Aluminium Gewicht sparen.

Daten und Fakten zum BMW i3

  • Technische Daten, Teil 1

    Länge: 3,99 Meter, Radstand: 2,57 Meter, Kofferraumvolumen: 200 - 1.100 Liter, Wendekreis: 9,86 Meter, Leergewicht: 1.195 kg.

  • Technische Daten, Teil 2

    Batteriekapazität: 22 kWh, Nominalspannung: 360 V, Lithium-Ionen-Speichertechnik. Antrieb: Hybrid-Syncron-Elektromotor mit 125 kW/170 PS, zweistufiges Automatikgetriebe mit fester Übersetzung an die Hinterräder.

  • Fahrleistungen

    Max. Drehmoment: 250 Nm, so viel wie ein Golf Diesel "BlueMotion".
    Beschleunigung: 0 - 100 km/h: 7,2 Sek.,
    Höchstgeschwindigkeit: 150 km/h (elektronisch begrenzt),
    Verbrauch: 0,13 kWh pro km,
    max. Reichweite 200 km,
    CO2-Emission: 0 g/km.

  • Ladedauer

    Lädt man den i3 zu Hause an einem normalen Anschluss, dauert der Ladevorgang bis zu acht Stunden. An einer Schnellladesäule dagegen ist der Akku laut BMW nach 30 Minuten zu 80 Prozent geladen.

  • Fahrmodi

    Wählen kann der Fahrer unter den drei Einstell-Modi "Comfort", "Eco Pro" und "Eco Pro+". Sie ermöglichen die Spreizung zwischen höchstmöglichem Komfort und der maximalen Reichweite von etwa 200 Kilometern. "Wir haben mit unserer Mini-E-Flotte festgestellt, dass damit weltweit über 90 Prozent der Autofahrer bestens zurecht kommen", sagt der Leiter des "project i", Ulrich Kranz.

  • Reichweitenverlängerer

    Wem die maximal 200 km Reichweite nicht reichten, der kann seinen i3 als Sonderausstattung mit einem Range Extender bestellen. Hier sorgt dann ein kleiner Zweizylinder-Viertakt-Benziner aus dem BMW-Roller C 650, dass es weiter vorangeht. Dieser wird dann unter dem Kofferraumboden eingebaut. Über einen Generator liefert er Strom für gut 100 zusätzliche Kilometer.

  • Leichtbau-Maßnahmen

    Mit der neuen, horizontal getrennten Architektur will der Hersteller möglichst geringes Gewicht und die bestmögliche Effizienz erzielen. Nach dem BMW-internen Motto "Unten Drive, oben Life" besteht das Chassis des i3 aus einem Leichtmetallrahmen, der das Fahrwerk, die komplette Antriebs- und Steuerungseinheit inklusive des Lithium-Ionen-Akkus trägt. Darauf sitzt verschraubt eine hochfeste und ultraleichte Fahrgastzelle aus Kohlefaser. Statt Blech- bilden Kunststoffteile die Außenhaut.

  • Akkus und Preis

    Exakt 34.950 Euro werden für den i3 fällig. Der Grundpreis betrifft die Basisversion ohne den o.g. Range Extender. Die Batterien sind inklusive, auf die Akkus gibt BMW eine Herstellergarantie von acht Jahren oder 100.000 Kilometern. Das Speichersystem besteht aus acht Modulen, die jeweils einzeln ersetzt werden können.

  • Serienmäßig mit SIM-Card

    Mit einer speziellen BMW-App auf dem iPhone hat der Fahrer die Möglichkeit, seinen i3 aus der Ferne zu überwachen, die Klimaanlage einzuschalten, oder das Laden des Akkus steuern. Zudem gibt das Display Auskunft über Restreichweite und Batteriestand und zeigt freie sowie besetzte Ladestationen in der Umgebung an. Jeder i3 ist serienmäßig mit einer fest installierten SIM-Card ausgestattet. Dies ermöglicht es z.B. Staumeldungen in Echtzeit zu übertragen.

Was für BMW die Kohlefaser ist, ist für Jaguar Aluminiun: Die Mittelklasse-Limousine Jaguar XE, die im Juni 2015 auf dem Markt kommt, baut auf einer neuen Rahmen aus Aluminium auf. Davon erhoffen sich die Briten nicht nur bei der Effizienz Vorteile.

„Karbon ist für uns überhaupt kein Thema“, sagt Jaguar-Entwicklungschef Wolfgang Ziebart. „Aus meiner Sicht ist Karbon für eine Großserienfertigung nicht das geeignete Material.“

Und zwar aus mehreren Gründen. In der Massenproduktion könne man die Fasern nicht zwölf Stunden aushärten lassen, wie das bei den von Hand gefertigten Bauteilen für einen Formel-1-Rennwagen der Fall sei. Stattdessen ziehe das kürzere Aushärten im Ofen deutliche Kompromisse nach sich.

Die Folge: „Sie haben zwar viele Fasern eingesetzt, bekommen aber Eigenschaften heraus, die Sie eigentlich gar nicht haben wollen“, sagt Ziebart.

Dazu kommen Probleme in der Weiterverarbeitung. „Bislang kann etwa ein Dach aus Verbundwerkstoffen nicht auf derselben Fertigungslinie wie ein Stahldach lackiert werden“, sagt Jens Schatzmüller, Innovationsmanager beim Technologiekonzern 3M. „Im Lackierofen herrschen Temperaturen von bis zu 200 Grad. Harz hält aber nur rund 140 Grad aus.“

Bei bekannten Werkstoffen wie Stahl und Alu beherrschen die Autobauer die Produktions- und Fertigungs-Prozesse deutlich besser, zudem können sie ihre bestehenden Produktionsanlagen weiter nutzen – was beim Umrüsten auf Kohlefaser nicht der Fall wäre.

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